WBGT: quando le semplificazioni minano l’affidabilità

LSI LASTEM e Radarmeteo per il monitoraggio meteorologico negli aeroporti

Stress caldo tramite indice WBGT

La norma ISO 7243, aggiornata nel 2017, è il documento di riferimento per valutare lo stress caldo utilizzando il calcolo dell’indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature). Questa norma include, non solo le procedure necessarie per calcolare l’indice e le tabelle che definiscono i limiti, ma anche dettagli sulle caratteristiche della sensoristica necessaria per acquisire i parametri ambientali necessari all’esecuzione delle formule:

Tnw: temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale
Tg: temperatura del globo nero
Ta: temperatura dell’aria (necessaria solo in presenza di radiazione diretta “solar load”).

La strumentazione utilizzata per la misura di questi parametri e per il calcolo dell’indice WBGT dovrebbe essere conforme alle prescrizioni date dalla norma ISO7243. In questo articolo andremo a valutare due aspetti che spesso vengono trascurati durante la scelta della strumentazione, che essendo utilizzata in ambiti legali, deve essere invece rigorosamente conforme alla norma.

Può un calcolo sostituire in maniera efficace la misura diretta della temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale?

Descrizione sensore di Temperatura umida a ventilazione naturale (Tnw) da norma ISO 7243

Nell’Annex B.1, la norma fornisce una descrizione del sensore utilizzato per misurare la temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale. Questo sensore è costituito da un elemento termosensibile ricoperto da una calza di cotone con alto potere assorbente e bagnata.

Nell’Annex D, la norma presenta un’alternativa alla misurazione diretta, tramite sensore. La norma offre la possibilità di ottenere tale valore in modo indiretto mediante un calcolo che utilizza i seguenti parametri:

Ta: temperatura dell’aria
RH: umidità relativa
Tr: temperatura media radiante
Va: velocità dell’aria

Vengono inoltre riportate le seguenti considerazioni:

La valutazione indiretta della Tnw tramite calcoli non è né semplice né affidabile, soprattutto quando la velocità dell’aria per convezione è bassa. Pertanto, non è raccomandata;
Il calcolo dovrebbe essere utilizzato solo quando la misura diretta della Tnw non risulta possibile;
È preferibile utilizzare la misura diretta come descritto nell’Annex B;
È importante ricordare che le misure ambientali utilizzate per il calcolo della Tnw, hanno un errore di misura dovuto all’accuratezza dei sensori utilizzati. Il calcolo della Tnw avrà quindi un errore e dovrà quindi essere visto con cautela;
La misura (diretta), come descritto nell’Annex B, dovrebbe essere preferita in quanto metodo più specifico ed accurato.

Nelle formule dell’indice WBGT, è importante notare che il peso della temperatura del bulbo umido (Tnw) è significativo poiché viene moltiplicato per un valore di 0,7. Pertanto, utilizzare un valore delle Tnw con un’alta incertezza, può causare un errore considerevole nel calcolo finale rispetto alle altre grandezze. Per quanto riguarda la temperatura dell’aria (Ta), utilizzata solo nella formula di WBGT con carico solare, il moltiplicatore è pari a 0,1. Invece, quello della temperatura media radiante (Tr), è pari a 0,3 o 0,2 a seconda della formula utilizzata (con o senza carico solare).

Considerazione sui sistemi water-free

Sul mercato, esistono diversi sistemi per calcolare l’indice WBGT definiti “water-free” che non hanno la misurazione diretta della Tnw, ma si basano su un calcolo indiretto per mezzo della formula specificata nell’Annex D della norma, la quale però richiede la misura della velocità dell’aria. La maggior parte dei sistemi “water-free” attualmente disponibili sul mercato non consente la misurazione della velocità dell’aria. Questo introduce un errore nel calcolo dell’indice WBGT.

Soluzioni LSI LASTEM dirette e affidabili

Per questi motivi, LSI LASTEM ha scelto di non adottare sistemi “water-free”. Invece, ha optato per l’utilizzo di sistemi che permettono la misurazione diretta della Tnw utilizzando sensori dedicati, seguendo quindi i consigli definiti nella norma.

LSI LASTEM fornisce diverse soluzioni per la misura della temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale, per acquisizioni indoor ed outdoor anche su lunghi periodi (Figura).

Quando si utilizzano sensori di questo genere in applicazioni fisse all’esterno, una delle limitazioni più significative è relativa alla limitata capacità del serbatoio d’acqua, che richiede di essere rabboccato con una certa frequenza. Per superare questa limitazione, LSI LASTEM propone il sensore DMA122 (Figura 3), progettato appositamente per applicazioni fisse, anche outdoor, grazie al capiente serbatoio da 1 litro che permette una più limitata frequenza del rabbocco dell’acqua.

1. ESU121: sensore di piccole dimensioni adatto a misure portatili in ambiente interno

2. Heat Shield: sistema compatto portatile per il calcolo del WBGT con presenza di sensore Tnw

3. DMA122: sensore di grandi dimensioni adatto ad applicazioni esterne con serbatoio d’acqua da 1 litro

Può il globotermometro da 5 cm sostituire quello da 15 cm senza introdurre errori?

Descrizione sensore Globo Termometro da norma ISO 7243

La norma ISO 7243, nell’Annex B (sezione B-2), fornisce una descrizione del sensore utilizzato per misurare la Temperatura di Globo Nero (Tg). Viene descritto un sensore con elemento termosensibile posizionato al centro di una sfera cava con le seguenti caratteristiche:

Diametro: 15 cm;
Coefficiente medio di emissione: 0,95 (emissività: 95% della radiazione viene assorbita).

Affinché il coefficiente di emissione raggiunga questo valore, la sfera deve essere verniciata con una vernice opaca nera. Per garantire un tempo di risposta più breve possibile, il materiale della sfera deve avere un’alta conducibilità termica. La norma menziona il “rame” come materiale in grado di fornire un tempo di risposta inferiore.

Inoltre, la norma descrive una sfera con un diametro di 15 cm, ma fornisce anche la possibilità di utilizzare sfere con diametri diversi. Nell’Annex C della norma, intitolato “Globi alternativi”, vengono fornite istruzioni su come correggere le misure eseguite utilizzando diametri diversi dai 15 cm. Tuttavia, vengono citate alcune importanti considerazioni a riguardo:

Il sensore descritto nell’Annex B è l’unico in grado di soddisfare i requisiti della norma;
È possibile utilizzare sfere diverse con delle approssimazioni, a condizione che venga eseguita una correzione valida per ottenere una stima della temperatura del globotermometro come se fosse misurata con il sensore specificato;
La formula citata può essere utilizzata per correggere le misure ottenute utilizzando globi con dimensioni alternative;
È importante notare che per apportare tali correzioni è necessario conoscere i valori di temperatura e velocità dell’aria richiesti dalla formula di correzione;
L’accuratezza della misura dipenderà dalla precisione della misura di temperatura e velocità dell’aria utilizzate nella formula di correzione;
È importante notare che, per apportare correzioni legate alla dimensione della sfera, è necessario conoscere la velocità dell’aria. Se questa informazione non è disponibile, non sarà possibile eseguire la correzione.

Considerazione su sistemi con globi piccoli

Sul mercato sono disponibili sistemi per il calcolo del WBGT che utilizzano globi neri con diametri inferiori ai 15 cm. Sono molto comuni quelli con diametro di 5 cm, scelti per la loro portabilità, per un più rapido tempo di risposta, per la presunta maggiore resistenza e per adattarsi alle preferenze di alcuni mercati.

Tuttavia, molti di questi sistemi non includono la misurazione della velocità dell’aria, e quindi non eseguono la correzione del diametro del globo come richiesto dalla norma. Di conseguenza, tali sistemi non sono conformi alla norma ISO 7243.

Soluzioni LSI LASTEM a norma e affidabili

LSI LASTEM consiglia l’uso di sensori globotermometrici con diametro di 15 cm. I sensori LSI LASTEM sono in rame, ricoperti con una vernice ad alto potere assorbente, migliore di quanto richiesto dalla norma (riflessività <2% quindi assorbimento >= 0,98). Nei sistemi portatili Heat Shield, è presente un modello con globotermometro da 5 cm, ma in questo caso è prevista una formula di correzione specifica. La correzione è attiva solo se la velocità dell’aria è misurata direttamente con un sensore anemometrico ESV125A collegato. In alternativa, è possibile inserire manualmente il valore di velocità dell’aria tramite tastiera; questa possibilità è consigliata in misure indoor quando la velocità dell’aria è sicuramente assente.

1. Sensore globotermometrico
DMA131A-EST131 con diametro 15 cm

2. Heat Shield modelli ELR605M-ELR615M con sensore globotermometrico con diametro 15 cm

3. Heat Shield modelli ELR600M-ELR610M con sensore globotermometrico con diametro 5 cm

4. Sensore anemometrico ESV125A per la misura della velocità dell’aria con Heat Shield. Utile per la correzione della dimensione del globotermometro su modelli ELR600M-ELR610M

Conclusioni

Sebbene la norma ISO 7243 offra un’alternativa al calcolo diretto della temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale tramite una formula citata nel suo Annex D, è importante notare che la misurazione diretta rimane il metodo più accurato soprattutto in situazioni di basse velocità dell’aria, quando la formula descritta nell Annex D comporta errori maggiori.
Sebbene la norma ISO 7243 offra un’alternativa all’uso di globi termometri con diametro di 15 cm, i sistemi con globi di dimensioni diverse, senza la misurazione della velocità dell’aria, non sono conformi alla norma.

Per questo LSI LASTEM ha scelto di seguire le raccomandazioni della norma consigliando l’uso di sensori globotermometrici con diametro di 15 cm, oppure con diametro 5 cm ma, in questo caso, con formula di correzione che utilizza la misura della velocità dell’aria proveniente da un anemometro collegato.

Per la misura della Temperatura Umida, LSI LASTEM non fornisce sistemi “water-free” troppo soggetti ad errori, ma fornisce solo soluzioni che permettano la misurazione diretta della temperatura di bulbo umido, offrendo affidabilità e precisione sia in misure indoor che outdoor portatili e fisse.